影響攀西地區(qū)南部的MCC活動(dòng)特征及發(fā)生環(huán)境條件

李永軍,余諳迪,肖昀何,肖 微

（1.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072；2.四川省攀枝花市氣象臺(tái)，攀枝花 617000）

引言

中尺度對(duì)流復(fù)合體（mesoscal convective complex，以下簡(jiǎn)稱(chēng)MCC）是一種α中尺度對(duì)流系統(tǒng)，它是由許多較小的對(duì)流系統(tǒng)，如塔狀積云，對(duì)流群（線）或β中尺度颮線等組合起來(lái)的一種對(duì)流復(fù)合體，它最突出的特征是有一個(gè)范圍很廣、持續(xù)很久、近于圓形的砧狀云罩[1]。MCC的發(fā)生常常伴有暴雨、洪水，甚至冰雹、大風(fēng)、龍卷等破壞性極強(qiáng)的災(zāi)害性天氣，對(duì)人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全具有很大的危害[2]。

大量研究指出：青藏高原在夏季成為一個(gè)巨大的熱源，能夠引起高原上空頻繁而強(qiáng)烈的對(duì)流活動(dòng)，夏季高原東部不僅具有較強(qiáng)的感熱通量，還具有較大的潛熱通量，凝結(jié)潛熱加熱作用為高原地區(qū)對(duì)流活動(dòng)提供了正反饋?zhàn)饔肹3-5]；MCC對(duì)流云團(tuán)的生成源地大部分在青藏高原東部的背風(fēng)坡一側(cè)，青藏高原東南部存在兩個(gè)MCC生成、發(fā)展的集中區(qū)域，一是橫斷山脈，二是四川盆地附近[6-7]。攀西南部恰好位于兩個(gè)集中區(qū)域之一的橫斷山脈，以山地為主，屬地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，暴雨過(guò)程更易引發(fā)山洪、滑坡、泥石流等次生災(zāi)害[8-9]。該地區(qū)MCC均發(fā)生于高能高溫高濕的環(huán)境中，初始對(duì)流發(fā)展局地性強(qiáng)，“夜雨”特征明顯，與南亞高壓、熱對(duì)流和凝結(jié)潛熱釋放等聯(lián)系緊密[10-20]，其生成發(fā)展及降水特點(diǎn)與攀西南部暴雨類(lèi)似，但該地區(qū)暴雨大多達(dá)不到Maddox對(duì)MCC的定義標(biāo)準(zhǔn)[21]?？梢?jiàn)，深入細(xì)致地研究影響攀西南部的MCC，不僅能更好地認(rèn)識(shí)和把握攀西南部暴雨的生成和發(fā)展，更重要的是能提升當(dāng)?shù)貫?zāi)害性天氣及次生災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警能力。而就目前來(lái)看，這方面的研究并不多見(jiàn)。本文正是針對(duì)這一關(guān)鍵問(wèn)題，結(jié)合衛(wèi)星資料、臺(tái)站觀測(cè)資料和再分析資料，試圖揭示影響攀西南部的MCC的活動(dòng)特征及發(fā)生環(huán)境條件，為準(zhǔn)確預(yù)報(bào)由此引發(fā)的區(qū)域暴雨提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

研究使用的資料包括：（1）2010～2019年FY-2E靜止氣象衛(wèi)星1h間隔相當(dāng)黑體亮溫（TBB）資料，水平分辨率為0.1°×0.1°；（2）2010～2019年攀西南部分布相對(duì)均勻且資料連續(xù)的24個(gè)地面觀測(cè)站點(diǎn)（8個(gè)國(guó)家站，16個(gè)區(qū)域站）的逐小時(shí)降水量資料；（3）歐洲中心發(fā)布的ERA5再分析資料，時(shí)間分布率為1h，水平分辨率為0.1°×0.1°。

研究區(qū)域選取在攀西南部，該地區(qū)位于青藏高原東南緣的橫斷山脈，包括攀枝花市和涼山州南部會(huì)理、會(huì)東、德昌及寧南4縣（市），經(jīng)緯度范圍是26.04°～27.58°N、101.03°～103.05°E。

1980年，Maddox首次提出MCC的定義標(biāo)準(zhǔn)[21]。在此基礎(chǔ)上，Augustine等[22]和Anderson等[23]研究指出，TBB≤-52℃的冷云罩面積達(dá)到Maddox定義的標(biāo)準(zhǔn)且TBB≤-32℃的冷云罩面積達(dá)不到該標(biāo)準(zhǔn)的MCC個(gè)例極少，因此剔除了TBB≤-32℃的冷云罩面積條件。本文MCC的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用Augustine等[22]新修改的定義，即：尺度上要求TBB≤-52℃的冷云罩面積≥5×104km2；形成時(shí)刻為第一次滿足尺度定義的時(shí)刻；生命期要求滿足尺度定義的時(shí)間≥6 h；同時(shí)要求連續(xù)冷云罩TBB≤-52℃在最大空間范圍時(shí)橢圓率≥0.7；消亡時(shí)刻為不再滿足尺度定義的時(shí)刻。

本文將TBB≤-52℃冷云罩覆蓋2/3及以上的攀西南部區(qū)域、持續(xù)時(shí)間達(dá)3h及以上的MCC定義為影響攀西南部的MCC。為更好地研究影響攀西南部的MCC的整個(gè)發(fā)展形成過(guò)程，將第一次出現(xiàn)TBB≤-52℃冷云罩的時(shí)刻定義為初生時(shí)刻，將TBB≤-52℃冷云罩面積達(dá)到最大的時(shí)刻定義為鼎盛時(shí)刻。按照冷云罩幾何中心距攀西南部的距離可將影響攀西南部的MCC分為中心影響型和邊緣影響型。

2 影響攀西南部的MCC統(tǒng)計(jì)特征分析

2010～2019年，共普查出12次影響攀西南部的MCC天氣過(guò)程，詳見(jiàn)表1。

從出現(xiàn)時(shí)間看，影響攀西南部的MCC出現(xiàn)在6～9月，6月次數(shù)最多達(dá)5次，其次8月出現(xiàn)3次，7月和9月各出現(xiàn)2次。段旭等[14]的研究也指出6月是云南及其周邊MCC出現(xiàn)頻率最高的月份，其發(fā)生與季節(jié)性變化（東亞季風(fēng)和印度季風(fēng)爆發(fā)）和下墊面加熱易形成空氣熱對(duì)流有關(guān)。

從生命史看，影響攀西南部的MCC平均生命史7.5h，大多生命史集中在6～8h，個(gè)別持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的可達(dá)10h，具有生消迅速、生命史短的特點(diǎn)，這與楊本湘等[24]揭示的青藏高原東南部MCC的生命史特征一致。

從生消情況看，影響攀西南部的MCC初生時(shí)刻集中在13～17時(shí)，消亡于次日凌晨至上午。江吉喜等[25]、胡亮等[26]及Sugimoto等[27]重點(diǎn)研究了MCC的日變化，結(jié)果表明：15:00～16:00是一天中MCC生成最多的時(shí)段，對(duì)流云的活躍時(shí)段在16:00～次日03:00，即當(dāng)?shù)匚绾笾廖缫箷r(shí)段，對(duì)流活動(dòng)在09:00～13:00一般會(huì)減弱，可以認(rèn)為是對(duì)流活動(dòng)的消散期。相關(guān)研究[4-5, 28-29]普遍認(rèn)為：MCC的日變化主要是白天高原的加熱作用以及夜間高原的凝結(jié)潛熱作用導(dǎo)致的；白天隨著太陽(yáng)高度角的增大，高原接收到的太陽(yáng)熱能逐漸增加，高原上空大氣柱上冷下暖，不穩(wěn)定能量逐漸累加從而觸發(fā)對(duì)流活動(dòng)的發(fā)生；夜間高原上空的水汽釋放出大量的凝結(jié)潛熱，潛熱加熱作用促使低渦中心的上升運(yùn)動(dòng)向高層延伸，從而使對(duì)流活動(dòng)增強(qiáng)，深厚的上升運(yùn)動(dòng)又釋放出更多的潛熱從而形成一種正反饋機(jī)制。影響攀西南部的MCC集中形成于傍晚至前半夜，這與我國(guó)南方、華北、黃河中游、江蘇北部等區(qū)域的MCC多形成于上半夜[7, 30-32]相類(lèi)似，但整個(gè)生命期較上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果提前，有3次過(guò)程在18時(shí)左右形成，有9次過(guò)程形成于22時(shí)之前。

從空間尺度看，影響攀西南部的MCC在鼎盛期的TBB≤-52℃區(qū)域面積＜10×104km2的有5例，10×104～15×104km2的有4例，15×104～20×104km2的有1例，20×104～25×104km2的有2例，且這2例均為邊緣影響類(lèi)型；影響攀西南部的MCC空間尺度較小，沒(méi)有出現(xiàn)北美或長(zhǎng)江中下游地區(qū)那種面積＞30×104km2的大型MCC。

將影響攀西南部的MCC在初生、形成、鼎盛和消亡時(shí)刻的TBB≤-52℃區(qū)域的幾何中心確定為其位置，統(tǒng)計(jì)得到2010～2019年這類(lèi)MCC的移動(dòng)路徑。如圖1所示，影響攀西南部的MCC主要生成于川西高原南部和攀西西北部，主要消亡于攀西南部及云南北部，其移動(dòng)方向均為西北-東南走向。影響攀西南部的MCC移動(dòng)路徑主要與該區(qū)域地理位置及地形有關(guān)，攀西南部處于金沙江、安寧河河谷區(qū)域，具有干熱河谷氣候特點(diǎn)，地勢(shì)整體由西北向東南傾斜，在局地造成較大的溫度、濕度等氣象要素梯度，形成鋒面特征，同時(shí)對(duì)流下沉促使正渦度增加，共同導(dǎo)致對(duì)流的發(fā)展和增強(qiáng)。

圖1 2010～2019年影響攀西南部的MCC移動(dòng)路徑（▲表示初生時(shí)刻位置，●表示形成時(shí)刻位置，■表示鼎盛時(shí)刻位置，▼表示消亡時(shí)刻位置，底圖為青藏高原東部地形，粗黑線區(qū)域表示攀西南部）

3 影響攀西南部的MCC分類(lèi)

影響攀西南部的MCC可分為中心區(qū)域影響和邊緣區(qū)域影響2類(lèi)。如圖2所示，2018年6月22日00:30，MCC為中心影響型，冷云罩的幾何中心位于攀西南部及附近地區(qū)；2016年7月26日00:15，MCC為邊緣影響型，冷云罩的幾何中心離攀西南部距離較遠(yuǎn)。整體而言，中心影響型其整體空間尺度較小，邊緣影響型空間尺度較大。分類(lèi)情況詳見(jiàn)表1。

圖2 2018年6月22日00:30（a）和2016年7月26日00:15（b）TBB圖（單位：℃，黑線區(qū)域表示攀西南部）

按照攀西南部24個(gè)自動(dòng)氣象站的24h最大降雨量，可將影響攀西南部的MCC分為大暴雨型、暴雨型、大雨型和小雨型。從表2可知，并非所有影響攀西南部的MCC均會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)降水，其中個(gè)例2和12為大暴雨型，個(gè)例1、4、5、8、10和11為暴雨型，個(gè)例3和7為大雨型，個(gè)例6和9為小雨型。需要注意的是，上述分型僅僅以攀西南部降水為判據(jù)。如個(gè)例6（小雨型），攀西南部24h最大降雨量為3.2mm，MCC影響區(qū)域的降水整體偏弱，但在個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)了大雨。如個(gè)例9（小雨型），攀西南部24h最大降雨量為5mm，但在MCC影響的其他區(qū)域出現(xiàn)了較強(qiáng)降水，尤其是中心影響區(qū)域還出現(xiàn)了大暴雨。對(duì)比攀西地區(qū)各雨型的最低TBB值，大暴雨型、暴雨型和大雨型差異不大，最低TBB為-76～-92℃，而兩次小雨型的最低TBB僅有-70℃，明顯高于其他三個(gè)類(lèi)型。

表2 2010～2019年影響攀西南部的MCC降雨及最低TBB統(tǒng)計(jì)

4 影響攀西南部的MCC天氣學(xué)特征

本節(jié)就選取的12個(gè)個(gè)例，按照大暴雨、暴雨、大雨、小雨這4個(gè)類(lèi)型，分別對(duì)影響攀西南部的MCC在形成時(shí)刻的高空風(fēng)場(chǎng)和高度場(chǎng)進(jìn)行合成分析。

4.1 環(huán)流特征

圖3是不同類(lèi)型MCC在形成時(shí)刻的200hPa環(huán)流場(chǎng)合成分析。如圖所示，不同類(lèi)型MCC的形成時(shí)刻，200hPa南亞高壓中心均位于青藏高原南部。從大暴雨型、暴雨型、大雨型MCC的200hPa環(huán)流場(chǎng)合成分析（圖3a～c）可看出，大暴雨型和暴雨型的南亞高壓強(qiáng)度大于大雨型，攀西南部位于南亞高壓東側(cè)脊線附近，南亞高壓輻散區(qū)的抽吸作用可促進(jìn)深對(duì)流的發(fā)展[33-34]。而小雨型所對(duì)應(yīng)的南亞高壓東部脊線位于川西高原中部至四川盆地西南部，攀西南部位于其南側(cè)較一致的東北氣流中（圖3d）。

圖3 不同類(lèi)型MCC在形成時(shí)刻的200hPa環(huán)流場(chǎng)合成分析（a.大暴雨型，b.暴雨型，c.大雨型，d.小雨型，紅色地圖區(qū)域?yàn)榕饰髂喜浚?/p>

圖4是不同類(lèi)型MCC在形成時(shí)刻的500hPa環(huán)流場(chǎng)合成分析。如圖所示，在大暴雨型、暴雨型和大雨型中，攀西南部均處于低槽尾部區(qū)域附近，槽后為偏北氣流，槽前為偏西南氣流；大暴雨型低槽南壓較暴雨型和大雨型明顯，暴雨型和大雨型受低槽尾部附近的偏西氣流影響；小雨型低槽尾部區(qū)域位于川西高原中部區(qū)域，位置偏北。在4種類(lèi)型MCC的形成時(shí)刻，攀西南部上空500hPa盛行偏西氣流，且風(fēng)速較小，為2～8m/s。根據(jù)當(dāng)?shù)仡A(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，較小的偏西風(fēng)不會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)貙?duì)流的發(fā)展形成阻礙作用；而較強(qiáng)的西風(fēng)一方面會(huì)阻礙低值系統(tǒng)南壓，另一方面會(huì)阻礙低層輻合的向上發(fā)展和切斷低層輻合與高層輻散間的聯(lián)系，對(duì)深對(duì)流的發(fā)展不利。

圖4 同圖3，但為500hPa

圖5是不同類(lèi)型MCC在形成時(shí)刻的700hPa環(huán)流場(chǎng)合成分析。如圖所示，4種類(lèi)型MCC對(duì)應(yīng)的水汽主要來(lái)自孟加拉灣；其中大暴雨型、暴雨型和大雨型在攀西南部均存在切變，切變后東北氣流明顯，切變前為西南氣流，這種環(huán)流配置有利于中低層來(lái)自孟灣的暖濕氣流在攀西南部產(chǎn)生輻合并觸發(fā)對(duì)流；而小雨型對(duì)應(yīng)攀西南部為西南氣流的控制，切變位置偏北且較弱，切變后的東北氣流也較弱。

圖5 同圖3，但為700hPa

在影響攀西南部的MCC的形成時(shí)刻，高層的南亞高壓脊線附近輻散對(duì)攀西南部MCC的形成和強(qiáng)降水的產(chǎn)生有較大影響，且強(qiáng)輻散可能對(duì)產(chǎn)生更大量級(jí)的降水較為有利；中層位于低槽尾部區(qū)域附近，整體表現(xiàn)為弱風(fēng)速區(qū)；低層的水汽輸送和風(fēng)速風(fēng)向輻合有利于較強(qiáng)降水的出現(xiàn)。大暴雨型、暴雨型和大雨型的環(huán)流形勢(shì)相似，在高層位于南亞高壓東部脊線附近，中層位于低槽尾部區(qū)域，低層存在切變輻合；大暴雨型的南亞高壓強(qiáng)于暴雨型和大雨型，中層的低值系統(tǒng)南壓較暴雨型和大雨型明顯；小雨型在高層位于南亞高壓東部脊線南側(cè)一致的東北氣流里，中低層的低值系統(tǒng)位置偏北。

4.2 環(huán)境條件

本節(jié)采用溫度、比濕偏差法研究其溫濕環(huán)境條件。溫度、比濕偏差法即：。這里的T和Q為格點(diǎn)值，為圖上整個(gè)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格點(diǎn)資料的平均值。由于青藏高原東部海拔差異很大，無(wú)法將其統(tǒng)一到同一等壓面。

圖6為上述12個(gè)MCC 在形成時(shí)刻的溫度偏差合成沿27.5°N的垂直剖面。如圖所示，攀西南部（26.04°～27.58°N，101.03°～103.05°E）及其周邊從低層至中層存在一個(gè)明顯的溫度正偏差，低層最大偏差可達(dá)7℃，低層在MCC區(qū)域西側(cè)有一個(gè)冷區(qū)，冷暖界面等值線近乎垂直，存在顯著的水平溫度梯度大值區(qū)，這樣的鋒區(qū)結(jié)構(gòu)有利于增強(qiáng)大氣的斜壓不穩(wěn)定。

圖6 多個(gè)MCC在形成時(shí)刻的溫度偏差合成沿27.5°N的垂直剖面（單位：°C）

圖7給出了上述12個(gè)MCC在形成時(shí)刻的濕度偏差合成沿27.5°N的垂直剖面。如圖所示，從垂直方向看，攀西西部低層為一個(gè)由干轉(zhuǎn)濕的區(qū)域，干濕等值線近乎垂直，存在較大的比濕梯度；而攀西南部及其以東為一個(gè)比濕正偏差區(qū)，攀西南部比濕的正偏差可達(dá)4g/kg?？梢?jiàn)影響攀西南部的MCC形成發(fā)展過(guò)程中，攀西南部為一個(gè)顯著濕區(qū)。

圖7 同圖6，但為濕度偏差（單位：g/kg）

4.3 動(dòng)力條件

圖8是不同類(lèi)型MCC在形成時(shí)刻的垂直速度合成沿26.75°N的垂直剖面。如圖所示，大暴雨型、暴雨型和大雨型MCC在攀西南部整層均存在很強(qiáng)的上升氣流，表現(xiàn)出降雨量級(jí)越大上升氣流越強(qiáng)的特點(diǎn)；其中，大暴雨型的上升速度中心值達(dá)-0.8hPa/s，暴雨型和大雨型的上升速度中心值均為-0.6hPa/s，但大雨型在垂直方向的伸展情況較暴雨型差，而小雨型的上升運(yùn)動(dòng)很弱，甚至有下沉氣流出現(xiàn)。

圖8 不同類(lèi)型MCC在形成時(shí)刻的垂直速度合成沿26.75°N的垂直剖面（a.大暴雨型，b.暴雨型，c.大雨型，d.小雨型，單位：hPa/s）

從不同類(lèi)型MCC在形成時(shí)刻的散度合成沿26.75°N的垂直剖面（圖9）看，攀西南部上空均呈正負(fù)散度交替存在的特征；其中大暴雨型的低層負(fù)散度達(dá)-8×10-5s-1，高層正散度達(dá)12×10-5s-1；暴雨型的低層負(fù)散度較小為-4×10-5s-1，高層正散度達(dá)8×10-5s-1；大雨型的低層負(fù)散度達(dá)-8×10-5s-1，高層正散度達(dá)8×10-5s-1；小雨型的中低層均以正散度為主，高層存在弱的負(fù)散度；大暴雨型、暴雨型和大雨型的MCC低層輻合、高層輻散的特征明顯，高層200～100hPa的輻散區(qū)是南亞高壓東部脊線輻散區(qū)的反映。

圖9 不同類(lèi)型MCC在形成時(shí)刻的散度合成沿26.75°N的垂直剖面（a.大暴雨型，b.暴雨型，c.大雨型，d.小雨型，單位：10-5s-1）

5 結(jié)論

本文應(yīng)用衛(wèi)星資料、臺(tái)站觀測(cè)資料和再分析資料，對(duì)影響攀西地區(qū)南部的MCC活動(dòng)特征及發(fā)生環(huán)境條件進(jìn)行研究，結(jié)論如下：

（1）影響攀西南部MCC出現(xiàn)在6～9月，其中6月出現(xiàn)頻次最高，其平均生命史7.5h，平均空間尺度13.5×105km2，具有生消迅速、生命史短和空間尺度較小的特點(diǎn)；

（2）影響攀西南部MCC初始對(duì)流主要初生于川西高原南部和攀西西北部，消亡于攀西和云南北部，其移動(dòng)路徑以西北東南向?yàn)橹?，時(shí)間上初生于午后，形成于傍晚至前半夜，消亡于次日凌晨至上午，整個(gè)生命期偏早；

（3）MCC發(fā)展形成于高溫高濕高能環(huán)境中，中低層溫度及比濕較周邊區(qū)域高，存在較大的對(duì)流有效位能。產(chǎn)生較強(qiáng)以上降水MCC要求其具有較低的TBB值，高層的南亞高壓脊線和中低層的切變是其主要影響天氣系統(tǒng)，較強(qiáng)降水MCC垂直結(jié)構(gòu)上具有低層輻合、高層輻散和上升運(yùn)動(dòng)顯著的特點(diǎn)；

（4）按照攀西南部24個(gè)自動(dòng)氣象站的24h最大降雨量，可將影響攀西南部的MCC分為大暴雨型、暴雨型、大雨型和小雨型。大暴雨型、暴雨型和大雨型的環(huán)流形勢(shì)相似，在高層位于南亞高壓東部脊線附近，中層位于低槽尾部區(qū)域，低層存在切變輻合；其中大暴雨型的南亞高壓強(qiáng)于暴雨型和大雨型，中層的低值系統(tǒng)南壓較暴雨型和大雨型明顯；而小雨型高層位于南亞高壓東部脊線南側(cè)一致的東北氣流里，中低層的低值系統(tǒng)位置偏北。